Реферат на тему рентгеновское излучение

Обновлено: 30.06.2024

Рентгеновское излучение было открыто немецким физиком В.Рентгеном (1845–1923). Его имя увековечено и в некоторых других физических терминах, связанных с этим излучением: рентгеном называется международная единица дозы ионизирующего излучения; снимок, сделанный в рентгеновском аппарате, называется рентгенограммой; область радиологической медицины, в которой используются рентгеновские лучи для диагностики и лечения заболеваний, называется рентгенологией.

Содержание

Вложенные файлы: 1 файл

реферат по химии.docx

ДЕПАРТАМЕНТ ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ КЕМЕРОВСКОЙ ОБЛАСТИ

Реферат на тему:

Рентгеновское излучение и его использование в технике и медицине.

Специальность: ТОР 13-1

Получение рентгеновского излучения……………………………………….….…4

Естественное рентгеновское излучение…………………………………………..7

Природа рентгеновских лучей…………………………… …………………….……8

Получение рентгеновского излучения……………………………………………..9

Характеристическое рентгеновское излучение………………… ………………10

Рентгеновское излучение, невидимое излучение, способное проникать, хотя и в разной степени, во все вещества. Представляет собой электромагнитное излучение с длиной волны порядка 10 –8 см.

Как и видимый свет, рентгеновское излучение вызывает почернение фотопленки. Это его свойство имеет важное значение для медицины, промышленности и научных исследований. Проходя сквозь исследуемый объект и падая затем на фотопленку, рентгеновское излучение изображает на ней его внутреннюю структуру. Поскольку проникающая способность рентгеновского излучения различна для разных материалов, менее прозрачные для него части объекта дают более светлые участки на фотоснимке, чем те, через которые излучение проникает хорошо. Так, костные ткани менее прозрачны для рентгеновского излучения, чем ткани, из которых состоит кожа и внутренние органы. Поэтому на рентгенограмме кости обозначатся как более светлые участки и более прозрачное для излучения место перелома может быть достаточно легко обнаружено. Рентгеновская съемка используется также в стоматологии для обнаружения кариеса и абсцессов в корнях зубов, а также в промышленности для обнаружения трещин в литье, пластмассах и резинах.

Рентгеновское излучение используется в химии для анализа соединений и в физике для исследования структуры кристаллов. Пучок рентгеновского излучения, проходя через химическое соединение, вызывает характерное вторичное излучение, спектроскопический анализ которого позволяет химику установить состав соединения. При падении на кристаллическое вещество пучок рентгеновских лучей рассеивается атомами кристалла, давая четкую правильную картину пятен и полос на фотопластинке, позволяющую установить внутреннюю структуру кристалла.

Применение рентгеновского излучения при лечении рака основано на том, что оно убивает раковые клетки. Однако оно может оказать нежелательное влияние и на нормальные клетки. Поэтому при таком использовании рентгеновского излучения должна соблюдаться крайняя осторожность.

Рентген открыл излучение в 1895, будучи профессором физики Вюрцбургского университета. Проводя эксперименты с катодными лучами (потоками электронов в разрядных трубках), он заметил, что расположенный вблизи вакуумной трубки экран, покрытый кристаллическим цианоплатинитом бария, ярко светится, хотя сама трубка закрыта черным картоном. Далее Рентген установил, что проникающая способность обнаруженных им неизвестных лучей, которые он назвал Х-лучами, зависит от состава поглощающего материала. Он получил также изображение костей собственной руки, поместив ее между разрядной трубкой с катодными лучами и экраном с покрытием из цианоплатинита бария. За открытием Рентгена последовали эксперименты других исследователей, обнаруживших много новых свойств и возможностей применения этого излучения. Большой вклад внесли М.Лауэ, В.Фридрих и П.Книппинг, продемонстрировавшие в 1912 дифракцию рентгеновского излучения при прохождении его через кристалл; У.Кулидж, который в 1913 изобрел высоковакуумную рентгеновскую трубку с подогретым катодом; Г.Мозли, установивший в 1913 зависимость между длиной волны излучения и атомным номером элемента; Г. и Л.Брэгги, получившие в 1915 Нобелевскую премию за разработку основ рентгеноструктурного анализа.

Получение рентгеновского излучения

Рентгеновские лучи возникают при сильном ускорении заряженн ых частиц (тормозное излучение), либо при высокоэнергетических переходах в электронных оболочках атомов илимолекул. Оба эффекта используются в рентгеновских трубках. Основными конструктивными элементами таких трубок являются металлические катод и анод ( ранее называвшийся также антикатодом). В рентгеновских трубках электроны, испущенные катодом, ускоряются под действием разности электрических потенциалов между анодом и катодом (при этом рентгеновские лучи не испускаются, так как ускорение слишком мало) и ударяются об анод, где происходит их резкое торможение. При этом за счёт тормозного излученияпроисходит генерация излучения рентгеновского диапазона, и одновременно выбиваются электроны из внутренних электронных оболочек атомов анода. Пустые места в оболочках занимаются другими электронами атома.

Длина волны рентгеновских лучей сравнима с размерами атомов, поэтому не существует материала, из которого можно было бы изготовить линзу для рентгеновских лучей. Кроме того, при перпендикулярном падении на поверхность рентгеновские лучи почти не отражаются. Несмотря на это, в рентгеновской оптике были найдены способы построения оптических элементов для рентгеновских лучей. В частности выяснилось, что их хорошо отражает алмаз [4] .

Поглощение происходит в результате фотопоглощения (фотоэффекта) и комптоновского рассеяния:

Под фотопоглощением понимается процесс выбивания фотоном электрона из оболочки атома, для чего требуется, чтобы энергия фотона была больше некоторого минимального значения. Если рассматривать вероятность акта поглощения в зависимости от энергии фотона, то при достижении определённой энергии она (вероятность) резко возрастает до своего максимального значения. Для более высоких значений энергии вероятность непрерывно уменьшается. По причине такой зависимости говорят, что существует граница поглощения. Место выбитого при акте поглощения электрона занимает другой электрон, при этом испускается излучение с меньшей энергией фотона, происходит т. н. процесс флуоресценции.
Рентгеновский фотон может взаимодействовать не только со связанными электронами, но и со свободными, а также слабосвязанными электронами. Происходит рассеяние фотонов на электронах — т. н. комптоновское рассеяние. В зависимости от угла рассеяния, длина волны фотона увеличивается на определённую величину и, соответственно, энергия уменьшается. Комптоновское рассеяние, по сравнению с фотопоглощением, становится преобладающим при более высоких энергиях фотона.

В дополнение к названным процессам существует ещё одна принципиальная возможность поглощения — за счёт возникновения электрон-позитро нных пар. Однако для этого необходимы энергии более 1,022 МэВ, которые лежат вне вышеобозначенной границы рентгеновского излучения ( ых опухолей. По причине этого при работе с рентгеновским излучением необходимо соблюдать меры защиты. Считается, что поражение прямо пропорционально поглощённой дозе излучения. Рентгеновское излучение является мутагенным фактором.

Естественное рентгеновское излучение

На Земле электромагнитное излучение в рентгеновском диапазоне образуется в результате ионизации атомов излучением, которое возникает при радиоакт ивном распаде, в результате Комптон-эффекта гам ма-излучения, возникающего при ядерных реакциях, а также космическим излучением. Радиоактивный распад также приводит к непосредственному излучению рентгеновских квантов, если вызывает перестройку электронной оболочки распадающегося атома (например, при электронном захвате). Рентгеновское излучение, которое возникает на других небесных телах, не достигает поверхности Земли, так как полностью поглощается атмосферой. Оно исследуется спутниковымирентге новскими телескопами, такими как Чандра и XMM-Ньютон.

Но еще за 8 лет до этого — в 1887 году Никола Тесла в дневниковых записях зафиксировал результаты исследования рентгеновских лучей [источник не указан 394 дня] и испускаемое ими тормозное излучение, однако ни Тесла, ни его окружение не придали серьёзное значение этим наблюдениям. Кроме этого, уже тогда Тесла предположил опасность длительного воздействия рентгеновских лучей на человеческий организм.

Катодолучевая трубка, которую Рентген использовал в своих экспериментах, была разработана Й. Хитторфом и В. Круксом. При работе этой трубки возникают рентгеновские лучи. Это было показано в экспериментах Крукса [источник не указан 1663 дня] и с 1892 года в экспериментах Генриха Герца и его ученика Филиппа Ленарда через почернение фотопластинок. Однако никто из них не осознал значения сделанного ими открытия и не опубликовал своих результатов.

Рентге́новское излуче́ние - электромагнитные волны, энергия фотонов которых определяется диапазоном энергией от ультрафиолетовых до гамма-излучений, что соответствует интервалу длин волн от 10−4 до 10² Å (от 10−14 до 10−8 м).

Глава I. Открытие рентгеновского излучения

По этой причине Рентген не знал о сделанных до него открытиях и открыл лучи, названные впоследствие его именем, независимо - при наблюдении флюоресценции, возникающей при работе катодолучевой трубки. Рентген занимался Х-лучами немногим более года (с 8 ноября 1895 года по март 1897 года) и опубликовал о них всего три сравнительно небольших статьи, но в них было дано столь исчерпывающее описание новых лучей, что сотни работ его последователей, опубликованных затем на протяжении 12 лет, не могли ни прибавить, ни изменить ничего существенного. Рентген, потерявший интерес к Х-лучам, говорил своим коллегам: "Я уже всё написал, не тратьте зря время". Свой вклад в известность Рентгена внесла также знаменитая фотография руки его жены, которую он опубликовал в своей статье (см. изображение справа). Подобная слава принесла Рентгену в 1901 году первую Нобелевскую премию по физике, причём нобелевский комитет подчёркивал практическую важность его открытия. В 1896 году впервые было употреблено название "рентгеновские лучи". В некоторых странах осталось старое название - X-лучи. В России лучи стали называть "рентгеновскими" с подачи ученика В.К. Рентгена - Абрама Фёдоровича Иоффе.

Положение на шкале электромагнитных волн

Энергетические диапазоны рентгеновского излучения и гамма-излучения перекрываются в широкой области энергий. Оба типа излучения являются электромагнитным излучением и при одинаковой энергии фотонов - эквивалентны. Терминологическое различие лежит в способе возникновения - рентгеновские лучи испускаются при участии электронов (либо в атомах, либо свободных) в то время как гамма-излучение испускается в процессах девозбуждения атомных ядер. Фотоны рентгеновского излучения имеют энергию от 100 эВ до 250 кэВ, что соответствует излучению с частотой от 3·1016 Гц до 6·1019 Гц и длиной волны 0,005 - 10 нм (общепризнанного определения нижней границы диапазона рентгеновских лучей в шкале длин волн не существует). Мягкий рентген характеризуется наименьшей энергией фотона и частотой излучения (и наибольшей длиной волны), а жёсткий рентген обладает наибольшей энергией фотона и частотой излучения (и наименьшей длиной волны).

(Рентгеновская фотография (рентгенограмма) руки своей жены, сделанная В.К. Рентгеном)

)

Получение

Рентгеновские лучи возникают при сильном ускорении заряженных частиц (в основном электронов) либо же при высокоэнергетичных переходах в электронных оболочках атомов или молекул. Оба эффекта используются в рентгеновских трубках, в которых электроны, испущенные раскалённым катодом, ускоряются (при этом рентгеновские лучи не испускаются, т.к ускорение слишком мало) и ударяются об анод, где они резко тормозятся (при этом испускаются рентгеновские лучи: т. н. тормозное излучение) и в то же время выбивают электроны из внутренних электронных оболочек атомов металла, из которого сделан анод. Пустые места в оболочках занимаются другими электронами атома. При этом испускается рентгеновское излучение с определённой, характерной для материала анода, энергией (характеристическое излучение, частоты определяются законом Мозли:

где Z - атомный номер элемента анода, A и B - константы для определённого значения главного квантового числа n электронной оболочки). В настоящее время аноды изготовляются главным образом из керамики, причём та их часть, куда ударяют электроны, - из молибдена. В процессе ускорения-торможения лишь 1% кинетической энергии электрона идёт на рентгеновское излучение, 99% энергии превращается в тепло.

Рентгеновское излучение можно получать также и на ускорителях заряженных частиц. Т.н. синхротронное излучение возникает при отклонении пучка частиц в магнитном поле, в результате чего они испытывают ускорение в направлении, перпендикулярном их движению. Синхротронное излучение имеет сплошной спектр с верхней границей. При соответствующим образом выбранных параметрах (величина магнитного поля и энергия частиц) в спектре синхротронного излучения можно получить и рентгеновские лучи.

Схематическое изображение рентгеновской трубки. X - рентгеновские лучи, K - катод, А - анод (иногда называемый антикатодом), С - теплоотвод, Uh - напряжение накала катода, Ua - ускоряющее напряжение, Win - впуск водяного охлаждения, Wout - выпуск водяного охлаждения (см. рентгеновская трубка).

Взаимодействие с веществом

Коэффициент преломления почти любого вещества для рентгеновских лучей мало отличается от единицы. Следствием этого является тот факт, что не существует материала, из которого можно было бы изготовить линзу для рентгеновских лучей. Кроме того, при перпендикулярном падении на поверхность рентгеновские лучи почти не отражаются. Несмотря на это, в рентгеновской оптике были найдены способы построения оптических элементов для рентгеновских лучей.

Рентгеновские лучи могут проникать сквозь вещество, причём различные вещества по-разному их поглощают. Поглощение рентгеновских лучей является важнейшим их свойством в рентгеновской съёмке. Интенсивность рентгеновских лучей экспоненциально убывает в зависимости от пройденного пути в поглощающем слое (I = I0e-kd, где d - толщина слоя, коэффициент k пропорционален Z3λ3, Z - атомный номер элемента, λ - длина волны).

Поглощение происходит в результате фотопоглощения и комптоновского рассеяния:

Под фотопоглощением понимается процесс выбивания фотоном электрона из оболочки атома, для чего требуется, чтобы энергия фотона была больше некоторого минимального значения. Если рассматривать вероятность акта поглощения в зависимости от энергии фотона, то при достижении определённой энергии она (вероятность) резко возрастает до своего максимального значения. Для более высоких значений энергии вероятность непрерывно уменьшается. По причине такой зависимости говорят, что существует граница поглощения. Место выбитого при акте поглощения электрона занимает другой электрон, при этом испускается излучение с меньшей энергией фотона, происходит т. н. процесс флюоресценции.

Рентгеновский фотон может взаимодействовать не только со связанными электронами, но и со свободными, а также слабосвязанными электронами. Происходит рассеяние фотонов на электронах - т. н. комптоновское рассеяние. В зависимости от угла рассеяния, длина волны фотона увеличивается на определённую величину и, соответственно, энергия уменьшается. Комптоновское рассеяние, по сравнению с фотопоглощением, становится преобладающим при более высоких энергиях фотона.

Процессы фотопоглощения и комптоновского рассеяния являются т. н. неупругими процессами, при которых фотон теряет энергию. Кроме того существует т. н. упругое рассеяние (рэлеевское рассеяние), при котором рассеянный фотон сохраняет свою энергию.

Получение и обнаружение рентгеновского излучения. Рентгеновская и гамма-дефектоскопия. Дифракция и методы дифракционного анализа. Спектрохимический рентгеновский анализ. Медицинская рентгенодиагностика, ее биологическое действие и опасные факторы.

Рубрика	Физика и энергетика
Вид	реферат
Язык	русский
Дата добавления	12.12.2014
Размер файла	33,0 K

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

ЛУГАНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ МЕДИЦИНСКИЙУНИВЕРСИТЕТ

Кафедра биофизики, мед.кибернетики и медицинской аппаратуры

Реферат на тему:

Исполнитель: студентка I курса 28 группы

стоматологического факультета Хуртин И.С. (Telz)

Руководитель: Деркач Л.С.

ЛУГАНСК 2002

1. Получение рентгеновскогоизлучения

2. Обнаружение рентгеновскогоизлучения

3. Рентгеновская игамма-дефектоскопия

4. Дифракция рентгеновскогоизлучения

5. Методы дифракционного анализа

6. Спектрохимическийрентгеновский анализ

7. Медицинская рентгенодиагностика

8. Биологическое действиерентгеновского излучения

9. Опасные факторы рентгеновскогоизлучения

Список использованных источников

Как и видимый свет, рентгеновское излучение вызывает почернение фотопленки. Это его свойство имеет важное значение для медицины,промышленности и научных исследований. Проходя сквозь исследуемый объект ипадая затем на фотопленку, рентгеновское излучение изображает на ней еговнутреннюю структуру. Поскольку проникающая способность рентгеновскогоизлучения различна для разных материалов, менее прозрачные для него частиобъекта дают более светлые участки на фотоснимке, чем те, через которыеизлучение проникает хорошо. Так, костные ткани менее прозрачны длярентгеновского излучения, чем ткани, из которых состоит кожа и внутренниеорганы. Поэтому на рентгенограмме кости обозначатся как более светлые участки иболее прозрачное для излучения место перелома может быть достаточно легкообнаружено. Рентгеновская съемка используется также в стоматологии дляобнаружения кариеса и абсцессов в корнях зубов, а также в промышленности дляобнаружения трещин в литье, пластмассах и резинах.

Рентгеновское излучение используется в химии для анализасоединений и в физике для исследования структуры кристаллов. Пучокрентгеновского излучения, проходя через химическое соединение, вызываетхарактерное вторичное излучение, спектроскопический анализ которого позволяетхимику установить состав соединения. При падении на кристаллическое веществопучок рентгеновских лучей рассеивается атомами кристалла, давая четкуюправильную картину пятен и полос на фотопластинке, позволяющую установитьвнутреннюю структуру кристалла.

Применение рентгеновского излучения при лечении ракаосновано на том, что оно убивает раковые клетки. Однако оно может оказатьнежелательное влияние и на нормальные клетки. Поэтому при таком использованиирентгеновского излучения должна соблюдаться крайняя осторожность. рентгеновский излучение дефектоскопия медицинский

Рентгеновское излучение было открыто немецким физикомВ.Рентгеном (1845-1923). Его имя увековечено и в некоторых других физическихтерминах, связанных с этим излучением: рентгеном называется международнаяединица дозы ионизирующего излучения; снимок, сделанный в рентгеновскомаппарате, называется рентгенограммой; область радиологической медицины, вкоторой используются рентгеновские лучи для диагностики и лечения заболеваний,называется рентгенологией.

Рентген открыл излучение в 1895, будучи профессором физикиВюрцбургского университета. Проводя эксперименты с катодными лучами (потокамиэлектронов в разрядных трубках), он заметил, что расположенный вблизи вакуумнойтрубки экран, покрытый кристаллическим цианоплатинитом бария, ярко светится,хотя сама трубка закрыта черным картоном. Далее Рентген установил, чтопроникающая способность обнаруженных им неизвестных лучей, которые он назвалХ-лучами, зависит от состава поглощающего материала. Он получил такжеизображение костей собственной руки, поместив ее между разрядной трубкой скатодными лучами и экраном с покрытием из цианоплатинита бария. За открытиемРентгена последовали эксперименты других исследователей, обнаруживших многоновых свойств и возможностей применения этого излучения. Большой вклад внеслиМ.Лауэ, В.Фридрих и П.Книппинг, продемонстрировавшие в 1912 дифракциюрентгеновского излучения при прохождении его через кристалл; У.Кулидж, которыйв 1913 изобрел высоковакуумную рентгеновскую трубку с подогретым катодом;Г.Мозли, установивший в 1913 зависимость между длиной волны излучения и атомнымномером элемента; Г. и Л.Брэгги, получившие в 1915 Нобелевскую премию заразработку основ рентгеноструктурного анализа.

1. Получение рентгеновского излучения

Рентгеновское излучение возникает привзаимодействии электронов, движущихся с большими скоростями, с веществом. Когдаэлектроны соударяются с атомами какого-либо вещества, они быстро теряют своюкинетическую энергию. При этом большая ее часть переходит в тепло, а небольшаядоля, обычно менее 1%, преобразуется в энергию рентгеновского излучения. Этаэнергия высвобождается в форме квантов - частиц, называемых фотонами, которыеобладают энергией, но масса покоя которых равна нулю. Рентгеновские фотоныразличаются своей энергией, обратно пропорциональной их длине волны. Приобычном способе получения рентгеновского излучения получают широкий диапазондлин волн, который называют рентгеновским спектром. В спектре присутствуют ярковыраженные компоненты, как это показано на рис. 1.

Если электрон наталкивается на относительно тяжелоеядро, то он тормозится, а его кинетическая энергия выделяется в видерентгеновского фотона примерно той же энергии. Если же он пролетит мимо ядра,то потеряет лишь часть своей энергии, а остальную будет передавать попадающимсяна его пути другим атомам. Каждый акт потери энергии ведет к излучению фотона скакой-то энергией. Возникает непрерывный рентгеновский спектр, верхняя границакоторого соответствует энергии самого быстрого электрона. Таков механизмобразования непрерывного спектра, а максимальная энергия (или минимальная длинаволны), фиксирующая границу непрерывного спектра, пропорциональна ускоряющемунапряжению, которым определяется скорость налетающих электронов. Спектральныелинии характеризуют материал бомбардируемой мишени, а непрерывный спектропределяется энергией электронного пучка и практически не зависит от материаламишени.

Рентгеновское излучение можно получать не толькоэлектронной бомбардировкой, но и облучением мишени рентгеновским же излучениемот другого источника. В этом случае, однако, б/>льшая часть энергии падающегопучка переходит в характеристический рентгеновский спектр и очень малая ее доляприходится на непрерывный. Очевидно, что пучок падающего рентгеновскогоизлучения должен содержать фотоны, энергия которых достаточна для возбужденияхарактеристических линий бомбардируемого элемента. Высокий процент энергии,приходящейся на характеристический спектр, делает такой способ возбуждениярентгеновского излучения удобным для научных исследований.

В газоразрядных трубках содержится небольшоеколичество газа, и когда на электроды трубки подается большая разностьпотенциалов, атомы газа превращаются в положительные и отрицательные ионы.Положительные движутся к отрицательному электроду (катоду) и, падая на него,выбивают из него электроны, а они, в свою очередь, движутся к положительному электроду(аноду) и, бомбардируя его, создают поток рентгеновских фотонов.

В современной рентгеновской трубке, разработаннойКулиджем (рис. 3), источником электронов является вольфрамовый катод,нагреваемый до высокой температуры. Электроны ускоряются до больших скоростейвысокой разностью потенциалов между анодом (или антикатодом) и катодом.Поскольку электроны должны достичь анода без столкновений с атомами, необходимочень высокий вакуум, для чего нужно хорошо откачать трубку. Этим такжеснижаются вероятность ионизации оставшихся атомов газа и обусловленные еюпобочные токи.

Конструкция рентгеновских трубок может быть разнойв зависимости от условий применения и предъявляемых требований.

2. Обнаружение рентгеновского излучения

Все методы обнаружения рентгеновского излученияоснованы на их взаимодействии с веществом. Детекторы могут быть двух видов: те,которые дают изображение, и те, которые его не дают. К первым относятсяустройства рентгеновской флюорографии и рентгеноскопии, в которых пучокрентгеновского излучения проходит через исследуемый объект, а прошедшее излучениепопадает на люминесцентный экран или фотопленку. Изображение возникаетблагодаря тому, что разные части исследуемого объекта поглощают излучениепо-разному - в зависимости от толщины вещества и его состава. В детекторах слюминесцентным экраном энергия рентгеновского излучения превращается внепосредственно наблюдаемое изображение, а в рентгенографии оно регистрируетсяна чувствительной эмульсии и его можно наблюдать лишь после проявления пленки.

Ко второму типу детекторов относятся самыеразнообразные устройства, в которых энергия рентгеновского излученияпреобразуется в электрические сигналы, характеризующие относительнуюинтенсивность излучения. Сюда входят ионизационные камеры, счетчик Гейгера,пропорциональный счетчик, сцинтилляционный счетчик и некоторые специальныедетекторы на основе сульфида и селенида кадмия. В настоящее время наиболееэффективными детекторами можно считать сцинтилляционные счетчики, хорошоработающие в широком диапазоне энергий.

Детектор выбирается с учетом условий задачи. Например,если нужно точно измерить интенсивность дифрагированного рентгеновскогоизлучения, то применяются счетчики, позволяющие произвести измерения сточностью до долей процента. Если же нужно зарегистрировать очень многодифрагированных пучков, то целесообразно пользоваться рентгеновской пленкой,хотя в этом случае определить интенсивность с той же точностью невозможно.

3. Рентгеновская и гамма-дефектоскопия

Одно из наиболее распространенных примененийрентгеновского излучения в промышленности - контроль качества материалов идефектоскопия. Рентгеновский метод является неразрушающим, так что проверяемыйматериал, если он найден удовлетворяющим необходимым требованиям, может затемиспользоваться по назначению.

И рентгеновская, и гамма-дефектоскопия основаны напроникающей способности рентгеновского излучения и особенностях его поглощенияв материалах. Проникающая способность определяется энергией рентгеновскихфотонов, которая зависит от ускоряющего напряжения в рентгеновской трубке.Поэтому толстые образцы и образцы из тяжелых металлов, таких, например, какзолото и уран, требуют для их исследования рентгеновского источника с болеевысоким напряжением, а для тонких образцов достаточно источника и с болеенизким напряжением. Для гамма-дефектоскопии очень крупных отливок и крупногопроката применяются бетатроны и линейные ускорители, ускоряющие частицы доэнергий 25 МэВ и более.

Поглощение рентгеновского излучения в материалезависит от толщины поглотителя d и коэффициента поглощения m и определяетсяформулой I = I0e-md, где I - интенсивность излучения, прошедшего черезпоглотитель, I0 - интенсивность падающего излучения, а e = 2,718 - основаниенатуральных логарифмов.

Для данного материала при данной длине волны (илиэнергии) рентгеновского излучения коэффициент поглощения является константой.Но излучение рентгеновского источника не является монохроматичным, а содержитширокий спектр длин волн, вследствие чего поглощение при одной и той же толщинепоглотителя зависит от длины волны (частоты) излучения.

Рентгеновское излучение широко применяется во всехотраслях промышленности, связанных с обработкой металлов давлением. Оно такжеприменяется для контроля артиллерийских стволов, пищевых продуктов, пластмасс,для проверки сложных устройств и систем в электронной технике. (Для аналогичныхцелей применяется и нейтронография, в которой вместо рентгеновского излученияиспользуются нейтронные пучки.) Рентгеновское излучение применяется и длядругих задач, например, для исследования полотен живописи с целью установленияих подлинности или для обнаружения добавочных слоев краски поверх основногослоя.

4. Дифракция рентгеновского излучения

Дифракция рентгеновского излучения дает важнуюинформацию о твердых телах - их атомной структуре и форме кристаллов, а также ожидкостях, аморфных телах и больших молекулах. Дифракционный метод применяетсятакже для точного (с погрешностью менее 10-5) определения межатомныхрасстояний, выявления напряжений и дефектов и для определения ориентациимонокристаллов. По дифракционной картине можно идентифицировать неизвестныематериалы, а также обнаружить присутствие в образце примесей и определить их.Значение рентгеновского дифракционного метода для прогресса современной физикитрудно переоценить, поскольку современное понимание свойств материи основано вконечном счете на данных о расположении атомов в различных химическихсоединениях, о характере связей между ними и о дефектах структуры. Главныминструментом получения этой информации является дифракционный рентгеновскийметод. Рентгеновская дифракционная кристаллография крайне важна для определенияструктур сложных больших молекул, таких, как молекулы дезоксирибонуклеиновойкислоты (ДНК) - генетического материала живых организмов.

Принципы дифракции рентгеновского излучения. Чтобыпонять явление дифракции рентгеновского излучения, нужно рассмотреть попорядку: во-первых, спектр рентгеновского излучения, во-вторых, природукристаллической структуры и, в-третьих, само явление дифракции.

Атомы в кристаллической структуре располагаются справильной периодичностью, образуя последовательность одинаковых ячеек -пространственную решетку. Некоторые решетки (например, для большинства обычныхметаллов) довольно просты, а другие (например, для молекул белков) весьмасложны.

Если волны (например, звук, свет, рентгеновскоеизлучение) проходят через небольшую щель или отверстие, то последние могутрассматриваться как вторичный источник волн, а изображение щели или отверстиясостоит из чередующихся светлых и темных полос. Далее, если имеетсяпериодическая структура из отверстий или щелей, то в результате усиливающей иослабляющей интерференции лучей, идущих от разных отверстий, возникает четкаядифракционная картина. Дифракция рентгеновского излучения - это коллективноеявление рассеяния, при котором роль отверстий и центров рассеяния играютпериодически расположенные атомы кристаллической структуры. Взаимное усилениеих изображений при определенных углах дает дифракционную картину, аналогичнуютой, которая возникла бы при дифракции света на трехмерной дифракционнойрешетке.

Рассеяние происходит благодаря взаимодействиюпадающего рентгеновского излучения с электронами в кристалле. Вследствие того,что длина волны рентгеновского излучения того же порядка, что и размеры атома,длина волны рассеянного рентгеновского излучения та же, что и падающего. Этотпроцесс является результатом вынужденных колебаний электронов под действиемпадающего рентгеновского излучения.

Рассмотрим теперь атом с облаком связанныхэлектронов (окружающих ядро), на который падает рентгеновское излучение.Электроны во всех направлениях одновременно рассеивают падающее и испускаютсобственное рентгеновское излучение той же длины волны, хотя и разнойинтенсивности. Интенсивность рассеянного излучения связана с атомным номеромэлемента, т.к. атомный номер равен числу орбитальных электронов, которые могутучаствовать в рассеянии. (Эта зависимость интенсивности от атомного номерарассеивающего элемента и от направления, в котором измеряется интенсивность,характеризуется атомным фактором рассеяния, который играет чрезвычайно важнуюроль в анализе структуры кристаллов.)

a(cos a - cosa0) = hl,

где l - длина волны, а h - целое число (рис. 4 и5).

Чтобы распространить этот подход на трехмерныйкристалл, необходимо лишь выбрать ряды атомов по двум другим направлениям вкристалле и решить совместно полученные таким образом три уравнения для трехкристаллических осей с периодами a, b и c. Два других уравнения имеют вид

Это - три фундаментальных уравнения Лауэ длядифракции рентгеновского излучения, причем числа h, k и c - индексы Миллера дляплоскости дифракции.

Рассматривая любое из уравнений Лауэ, напримерпервое, можно заметить, что, поскольку a, a0, l - константы, а h = 0, 1,2, . его решение можно представить в виде набора конусов с общей осью a(рис. 5). То же самое верно для направлений b и c.

В общем случае трехмерного рассеяния (дифракция)три уравнения Лауэ должны иметь общее решение, т.е. три дифракционных конуса,расположенных на каждой из осей, должны пересекаться; общая линия пересеченияпоказана на рис. 6. Совместное решение уравнений приводит к закону Брэгга -Вульфа:

где d - расстояние между плоскостями с индексами h,k и c (период), n = 1, 2, … - целые числа (порядок дифракции), а q -угол, образуемый падающим пучком (а также и дифрагирующим) с плоскостьюкристалла, в которой происходит дифракция.

Анализируя уравнение закона Брэгга - Вульфа длямонокристалла, расположенного на пути монохроматического пучка рентгеновскогоизлучения, можно заключить, что дифракцию непросто наблюдать, т.к. величины l иq фиксированы, а sinq

Для учеников 1-11 классов и дошкольников
Бесплатные сертификаты учителям и участникам

на тему “Рентгеновское излучение”

Расулов Хайрула Рамазанович

Я выбрала данную тему потому, что каждый в своей жизни и не раз сталкивался с рентгеновским излучением, по принудительной или же иной причине, и мне захотелось узнать побольшео данном виде излучения, особенно его влияние на человека.

Задачи работы.. 3

Глава 1. Открытие рентгеновского излучения. 4

1.1. Биография Рентгена Вильгельма Конрада. 4

1.2. Открытие рентгеновского излучения. 5

1.3. Получение рентгеновских лучей. 6

Глава 2. Рентгеновское излучение. 8

2.1.Виды рентгеновского излучения. 8

2.2. Свойства рентгеновских лучей. 8

2.3. Получение рентгеновского изображения. 9

2.3.Влияние рентгеновского излучения на человека. 10

Глава 3. Применение рентгеновских лучей. 12

3.1. Преимущества и недостатки. 14

Список литературных источников. 17

Познакомиться с таким явлением, как рентгеновское излучение и его применением в нашем мире.

1. Узнать историю открытия рентгеновского излучения;

2. Рассмотреть, как получают рентгеновские лучи;

3. Изучить свойства рентгена;

4. Посмотреть влияние рентгеновских лучей на человека и методы защиты от лучей;

5. Выявить как рентген и его лучи применяются в медицине.

Глава 1. Открытие рентгеновского излучения

Вильгельм Конрад Рентген родился 17 марта 1845 г. в пограничной с Голландией области Германии, в городе Ленепе. Он получил техническое образование в Цюрихе в той самой Высшей технической школе (политехникуме), в которой позже учился Эйнштейн. Увлечение физикой заставило его после окончания школы в 1866 г. продолжить физическое образование. Защитив в 1868 г. диссертацию на степень доктора философии, он работал ассистентом на кафедре физики сначала в Цюрихе, потом в Гисене, а затем в Страсбурге (1874-1879) у Кундта. Здесь Рентген прошел хорошую экспериментальную школу и стал первоклассным экспериментатором. Часть важных исследований Рентген выполнил со своим учеником, одним из основателей советской физики А.Ф. Иоффе. Научные исследования относятся к электромагнетизму, физике кристаллов, оптике, молекулярной физике. В 1895 открыл излучение с длиной волны, более короткой, нежели длина волны ультрафиолетовых лучей (X-лучи), названное в дальнейшем рентгеновскими лучами, и исследовал их свойства: способность отражаться, поглощаться, ионизировать воздух и т.д. Предложил правильную конструкцию трубки для получения Х-лучей – наклонный платиновый антикатод и вогнутый катод: первый сделал фотоснимки при помощи рентгеновских лучей. Открыл в 1885 магнитное поле диэлектрика, движущегося в электрическом поле (так называемый “рентгенов ток”). Его опыт наглядно показал, что магнитное поле создается подвижными зарядами, и имел важное значение для создания X. Лоренцем электронной теории. Значительное число работ Рентгена посвящено исследованию свойств жидкостей, газов, кристаллов, электромагнитных явлений, открыл взаимосвязь электрических и оптических явлений в кристаллах. За открытие лучей, носящих его имя, Рентгену в 1901 первому среди физиков была присуждена Нобелевская премия. С 1900 г. и до последних дней жизни (умер он 10 февраля 1923 г.) он работал в Мюнхенском университете.

Изобрел данные лучи 1895 году немецкий ученый Рентген: во время работы с катодолучевой трубкой он обнаружил эффект флуоресценции платино-цианистого бария. Тогда и произошло описание таких лучей и их удивительной способности проникать сквозь ткани организма. Лучи стали называться икс-лучами (х-лучи). Позже в России их стали именовать рентгеновскими.

Лучи способны проникать сквозь мягкие ткани, но задерживаются, длина их определяется препятствием твердой поверхности. Мягкие ткани в человеческом организме — это кожа, а твердые — это кости. В 1901 году ученому присудили Нобелевскую премию. Однако еще до открытия Вильгельма Конрада Рентгена подобной темой были заинтересованы и другие ученые. В 1853 году французский физик Антуан-Филибер Масон изучал высоковольтный разряд между электродами в стеклянной трубке. Содержащийся в ней газ при низком давлении начал выпускать красноватое свечение. Откачивание лишнего газа из трубки привело к распаду свечения на сложную последовательность отдельных светящихся слоев, оттенок которых зависел от количества газа. В 1878 году Уильям Крукс (английский физик) высказал предположение о том, что флуоресценция возникает вследствие ударения лучей о стеклянную поверхность трубки. Но все эти исследования не были нигде опубликованы, поэтому Рентген не догадывался о подобных открытиях. После опубликования своих открытий в 1895 году в научном журнале, где ученый писал о том, что все тела прозрачны для этих лучей, хотя и в весьма различной степени, подобными экспериментами заинтересовались и другие ученые. Они подтвердили изобретение Рентгена, и в дальнейшем начались разработки и усовершенствование икс-лучей. Сам Вильгельм Рентген опубликовал еще две научные работы по теме икс-лучей в 1896 и 1897 годах, после чего занялся другой деятельностью. Таким образом, изобрели рентгеновское излучение несколько ученых, но именно Рентген опубликовал научные труды по этому поводу.

1.3 . Получение рентгеновских лучей

1)Рентгеновские лучи возникают при сильном ускорении заряженных частиц (в основном электронов) либо же при высоко энергетичных переходах в электронных оболочках атомов или молекул. Оба эффекта используются в рентгеновских трубках, в которых электроны, испущенные раскалённым катодом, ускоряются (при этом рентгеновские лучи не испускаются, т.к ускорение слишком мало) и ударяются об анод, где они резко тормозятся (при этом испускаются рентгеновские лучи: т. н. тормозное излучение) и в то же время выбивают электроны из внутренних электронных оболочек атомов металла, из которого сделан анод. Пустые места в оболочках занимаются другими электронами атома. При этом испускается рентгеновское излучение с определённой, характерной для материала анода энергией, частоты определяются законом Мозли:

где Z – атомный номер элемента анода, A и B – константы для определённого значения главного квантового числа n электронной оболочки). В настоящее время аноды изготовляются главным образом из керамики, причём та их часть, куда ударяют электроны, – из молибдена. В процессе ускорения-торможения лишь 1% кинетической энергии электрона идёт на рентгеновское излучение, 99% энергии превращается в тепло.

2)Рентгеновское излучение можно получать также и на ускорителях заряженных частиц. Т.н. синхротронное излучение возникает при отклонении пучка частиц в магнитном поле, в результате чего они испытывают ускорение в направлении, перпендикулярном их движению. Синхротронное излучение имеет сплошной спектр с верхней границей. При соответствующим образом выбранных параметрах (величина магнитного поля и энергия частиц) в спектре синхротронного излучения можно получить и рентгеновские лучи.

Схематическое изображение рентгеновской трубки. X – рентгеновские лучи, K – катод, А – анод (иногда называемый антикатодом), С – теплоотвод, Uh – напряжение накала катода, Ua – ускоряющее напряжение, Win – впуск водяного охлаждения, Wout – выпуск водяного охлаждения (см. рентгеновская трубка).

3)В качестве источников рентгеновских лучей могут служить также некоторые радиоактивные изотопы : одни из них непосредственно испускают рентгеновские лучи, ядерные излучения других (электроны или λ-частицы) бомбардируют металлическую мишень, которая испускает рентгеновские лучи. Интенсивность рентгеновского излучения изотопных источников на несколько порядков меньше интенсивности излучения рентгеновской трубки, но габариты, вес и стоимость изотопных источников несравненно меньше, чем установки с рентгеновской трубкой.

4) Источниками мягких рентгеновских лучей с λ порядка десятков и сотен могут служить синхротроны и накопители электронов с энергиями в несколько Гэв. По интенсивности рентгеновское излучение синхротронов превосходит в указанной области спектра излучение рентгеновской трубки на 2-3 порядка.

5) Естественные источники рентгеновских лучей – Солнце и другие космические объекты.

Рентгеновское излучение — электромагнитные волны, энергия фотонов которых лежит на шкале электромагнитных волн между ультрафиолетовым излучением и гамма-излучением (от ~100 эВ до ~1 МэВ), что соответствует длинам волн от ~103,1 до ~10−2 Å (от ~10 до ~10−3 нм).

Виды рентгеновского излучения:

А)по длине волны и проникающей способности:

-мягкое (длина волны больше, чем у жесткого, а проникающая способность меньше);

Б)по механизмам излучения и спектрам:

1. Высокая проникающая способность – способны проникать через определенные среды. Все тела для рентгеновского луча прозрачны, и степень прозрачности зависит от толщины тела. Именно благодаря этому свойству луч стал применяться в медицине для выявления работы органов, наличия переломов и инородных тел в организме. Рентгеновские лучи лучше всего проникают через газообразные среды (легочная ткань), плохо проникают через вещества с высокой электронной плотностью и большой атомной массой (в человеке – кости);

2. Флюоресценция – свечение. При этом энергия рентгеновского излучения переходит в энергию видимого света. В настоящее время принцип флюоресценции лежит в основе устройства усиливающих экранов, предназначенных для дополнительного засвечивания рентгеновской пленки. Это позволяет снизить лучевую нагрузку на организм исследуемого пациента;

3. Действие на фотопленку. Х-лучи могут подобно свету делать пленку темной, это позволяет фотографировать ту теневую сторону, которая получается при исследовании рентгеновскими лучами тел;

4. Ионизирующая способность – под действием рентгеновских лучей происходит ионизация атомов ( разложение нейтральных молекул на положительные и отрицательные ионы, составляющие ионную пару;

5. Биологическое – повреждение клеток. Большей частью оно обусловлено ионизацией биологически значимых структур (ДНК, РНК, молекул белков, аминокислот, воды). Положительные биологические эффекты – противоопухолевое, противовоспалительное.

2.3. Получение рентгеновского изображения

Получение рентгеновского изображения основано на ослаблении рентгеновского излучения при его прохождении через различные ткани организма. В результате прохождения через образования разной плотности и состава пучок излучения рассеивается и тормозится, в связи с чем, на пленке формируется изображение разной степени интенсивности – так называемое суммационное изображение всех тканей (тень).

Рентгеновская пленка – слоистая структура, основной слой представляет собой полиэфирный состав толщиной до 175 мкм, покрытый фотоэмульсией (йодид и бромид серебра, желатин).

1. Проявление пленки – происходит восстановление серебра (где лучи прошли насквозь – почернение участка пленки, где задержались – более светлые участки);

2. Фиксаж – вымывание бромида серебра из участков, где лучи прошли насквозь и не задержались.

В современных цифровых аппаратах регистрация выходного излучения может производиться на специальную электронную матрицу. Аппараты обладающие электронной чувствительной матрицей стоят значительно дороже аналоговых устройств. При этом печать плёнок производится только при необходимости, а диагностическое изображение выводится на монитор и, в некоторых системах, сохраняется в базе данных вместе с остальными данными о пациенте.

2.3 .Влияние рентгеновского излучения на человека

Рентгеновское излучение в повышенных дозах провоцирует изменения в кожных покровах, которые похожи на ожог от солнечных лучей. Только при облучении происходит более глубокое и серьёзное повреждение верхнего слоя кожи. Появившиеся на коже язвы требуют затяжного по времени лечения.

Со временем исследователи выявили, что такого пагубного действия реально избежать, если уменьшить дозировку или время. При этом применяется дистанционное управление процедурой.

Вред от получаемых волн иногда проявляется не сразу, а только спустя промежуток времени, постепенно: случаются непрерывные или временные преобразования в структуре эритроцитов, повышается риск развития лейкемии. Возможно характерное образование последствия в виде преждевременного старения и утери эластичности кожи.

Регулярное облучение даже в самых маленьких количествах и при коротких промежутках, приводит к изменениям на генетическом фоне. Они редко обратимы.

Электромагнитные волны проникают через ткани человеческого тела, при этом осуществляется ионизация в клетках, изменяется структура. Результатами таких воздействий становятся соматические осложнения или болезни в будущем поколении. Так проявляются генетические заболевания.

У людей, подвергшихся излучению, выявляются патологии крови. После маленьких доз возникают изменения её состава, которые ещё обратимы. Распадаются эритроциты и гемоглобин вследствие гемолитических изменений. Возможна тромбоцитопения.

При облучении нередки травмы хрусталика глаза, он мутнеет, и наступает катаракта.

Однократное облучение медицинской аппаратурой не влечёт за собой сильных перемен, т.к. содержит небольшую дозировку. При чувстве пациентом повышенной тревоги он вправе попросить у медика специальный защитный фартук. После выключения аппарата вредоносное действие тут же прекращается. Частое же влияние пагубно сказывается на человеческом организме.

Исследование последствий вредного облучения позволило создать международные стандарты, в которых указаны разрешённые минимальные дозы.

Противопоказания к проведению рентгенологических исследований:

1) Больные в тяжелом состоянии;

2) Период беременности из-за негативного влияния на плод;

3) Больные с кровотечением или открытым пневмотораксом.

Глава 3. Применение рентгеновских лучей

При помощи рентгеновских лучей можно просветить человеческое тело, в результате чего можно получить изображение костей, а в современных приборах и внутренних органов. При этом используется тот факт, что у содержащегося преимущественно в костях элемента кальция (Z=20) атомный номер гораздо больше, чем атомные номера элементов, из которых состоят мягкие ткани, а именно водорода (Z=1), углерода (Z=6), азота (Z=7), кислорода (Z=8). Кроме обычных приборов, которые дают двумерную проекцию исследуемого объекта, существуют компьютерные томографы, которые позволяют получать объёмное изображение внутренних органов.

Выявление дефектов в изделиях (рельсах, сварочных швах и т.д.)) с помощью рентгеновского излучения называется рентгеновской дефектоскопией.

В материаловедении, кристаллографии, химии и биохимии рентгеновские лучи используются для выяснения структуры веществ на атомном уровне при помощи дифракционного рассеяния рентгеновского излучения (рентгеноструктурный анализ). Известным примером является определение структуры ДНК.

Кроме того, при помощи рентгеновских лучей может быть определён химический состав вещества. В электронно-лучевом микрозонде (либо же в электронном микроскопе) анализируемое вещество облучается электронами, при этом атомы ионизируются и излучают характеристическое рентгеновское излучение. Вместо электронов может использоваться рентгеновское излучение. Этот аналитический метод называется рентгено-флюоресцентным анализом.

В медицине Рентгенография применяется для диагностики:

· лёгких и средостения – инфекционные, опухолевые и другие заболевания;

· позвоночника – дегенеративно-дистрофические (остеохондроз, спондиллез, искривления), инфекционные и воспалительные (различные виды спондилитов), опухолевые заболевания;

· различных отделов периферического скелета – на предмет различных травматических (переломы, вывихи), инфекционных и опухолевых изменений;

· брюшной полости – перфорации органов, функции почек (экскреторная урография) и другие изменения.

Рентгенография- исследование внутренней структуры объектов, которые проецируются при помощи рентгеновских лучей на специальную плёнку или бумагу. Наиболее часто термин используется в медицинском контексте, описывающий не инвазивное исследование, основанное на изучении костных структур и мягких тканей, при помощи суммационного проекционного изображения.

Рентгеноскопия (рентгеновское просвечивание) – классическое определение – метод рентгенологического исследования, при котором изображение объекта получают на светящемся (флюоресцентном) экране.

+ Широкая доступность метода и легкость в проведении исследований;

+Для большинства исследований не требуется специальной подготовки пациента;

+Относительно низкая стоимость исследования;

+Снимки могут быть использованы для консультации у другого специалиста или в другом учреждении (в отличие от УЗИ-снимков, где необходимо проведения повторного исследования, так как полученные изображения являются оператор-зависимыми).

-Относительно плохая визуализация мягких тканей (связки, мышцы, диски и др.). “Замороженность” изображения – сложность оценки функции органа. Наличие ионизирующего излучения.

+Главным преимуществом перед рентгенографией является факт исследования в реальном масштабе времени. Это позволяет оценить не только структуру органа, но и его смещаемость, сократимость или растяжимость, прохождение контрастного вещества, наполняемость. Метод также позволяет достаточно быстро оценить локализацию некоторых изменений, за счет вращения объекта исследования во время просвечивания (многопроекционное исследование). При рентгенографии для этого требуется проведение нескольких снимков, что не всегда возможно (пациент ушел после первого снимка не дождавшись результатов; большой поток пациентов, при котором делаются снимки только в одной проекции);

+Рентгеноскопия позволяет контролировать проведение некоторых инструментальных процедур – постановка катетеров, ангиопластика (см. ангиография), фистулография;

-Относительно высокая доза облучения по сравнению с рентгенографией – практически нивелирован с появлением новых цифровых аппаратов, снижающих дозовую нагрузку в сотни раз;

-Низкое пространственное разрешение – также значительно улучшенос появлением цифровых аппаратов.

По изученному материалу можно сделать вывод, что использование рентгеновских лучей стало спасением множества человеческих жизней. Рентген помогает не только своевременно диагностировать заболевание, методики лечения с применением лучевой терапии избавляют больных от различных патологий, начиная с гиперфункции щитовидной железы и заканчивая злокачественными опухолями костных тканей.

Читайте также: